книги из ГПНТБ / Полонников Д.Е. Электронные усилители автоматических компенсаторов
.pdf1 3 8 ВХОДНЫЕ |
УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [ г л . V |
г. |
М о д у л я т о р ы на ф о т о д и о д а х |
|
и ф о т о э л е м е н т а х |
Аналогично схеме с кремниевыми диодами модулятор может быть построен на фотоэлементах и фотодиодах. В этом случае мостовая схема питается постоянным током, а управ ление осуществляется пучком модулированного света. Дрейф нуля таких схем оказывается больше, чем у схем с крем ниевыми диодами. Поэтому применение модуляторов с фото диодами и фотоэлементами в усилителях автокомпенсаторов в настоящее время нецелесообразно.
д. |
В х о д н ы е у с т р о й с т в а с и с п о л ь з о в а н и е м |
||
|
ф о т о с о п р о т и в л е н и й |
|
|
Для модуляции входного сигнала постоянного тока может |
|||
быть |
применена схема |
рис. 61 с использованием, |
фотосопро |
тивления R ф. Входной |
сигнал делится между /?в |
и /?ф. При |
освещении фотосопротивления модулированным светом про
исходит изменение соотношения |
плеч |
R 0 и |
|
т. е. проис |
||||
|
ходит |
модуляция |
входного |
|||||
|
напряжения |
постоянного |
тока. |
|||||
|
Переменная |
составляющая |
че |
|||||
|
рез |
разделительный конденса |
||||||
|
тор поступает на выход. Если |
|||||||
|
входное напряжение равно ну |
|||||||
|
лю, |
казалось |
|
бы, что нет при |
||||
|
чин |
для появления |
паразитного |
|||||
|
сигнала на выходе. В самом |
|||||||
|
деле,никакие изменения сопро |
|||||||
Рис. 61. Модулятор с использо |
тивления |
|
|
под |
действием |
|||
температуры, |
старения |
или из |
||||||
ванием фотосопротивления. |
менения |
интенсивности |
света |
не могут привести к появлению на выходе паразитного переменного напряжения. Конечно, предполагается идеальная экранировка схемы и отсутствие наводок. В действительности, на выходе возникает довольно большой паразитный сигнал, который эквивалентен входному напряжению порядка 0,1 —j—1 мв. Величина паразитного сигнала нестабильна, и его компенсация бессмысленна. Дрейф нуля при использовании фотосопротивления можно объяснить
§ 1 5 ] СХЕМЫ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ УСИЛИТЕЛЕЙ 1 3 9
двумя причинами. Во-первых, полупроводниковый слой, исполь зуемый в фотосопротивлении имеет сравнительно большую термо-э. д. с. относительно меди. Достаточно ничтожной раз ницы в температуре (например, вследствие неодинаковой освещенности), чтобы возникло значительное напряжение. Вторая причина связана с воздействием света па границу
соприкосновения полупроводника |
и металла, в результате |
||||
чего могут генерироваться паразитные э. д. с. |
|
||||
|
В настоящее время модуляторы с фотосопротивлениями |
||||
могут |
применяться |
только в усилителях со средней и низ |
|||
кой |
чувствительностью (£/т^>= 20 |
мкв). Следует отметить, |
|||
что |
при разработке |
фотосопротивлений недостаточно |
учиты |
||
вались |
требования, |
возникающие |
при использовании |
фотосо |
противлений для модуляции слабых сигналов. Вполне реально улучшить их параметры с тем, чтобы заметно снизить дрейф нуля.
е. В х о д н о е у с т р о й с т в о с и с п о л ь з о в а н и е м э ф ф е к т а Х о л л а
Известно, что если пропускать ток I через тонкую про водящую пластинку (рис. 62), которая помещена в сильное магнитное поле, перпендикулярное к поверхности пластинки, то под воздействием поля линии тока смещаются к одному краю. Вследствие этого на противопо ложных краях пластины (на зажимах А и Б) появляется э. д. с., носящая на звание э. д. с. Холла. Если магнитное поле периодически изменяется во време
ни, то, очевидно, и напряжение Uae будет переменным. При строгой пер пендикулярности поверхности пластины к направлению поля напряжение Uab обращается в нуль, когда 1 = 0 . Таким образом, можно осуществить модуляцию постоянного входного сигнала. Эффект Холла у большинства металлов выражен слабо икоэффициент преобразования ока
зывается ничтожно мал. Значительно большую величину коэф фициента преобразования удается получить, применяя гер маний,
140 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [гл. V
Модулятор с использованием эффекта Холла имеет ряд недостатков. Основные из них — низкое входное сопротив ление, малый коэффициент преобразования, трудность в обес печении строгой перпендикулярности поля к поверхности пластинки. Однако дрейф нуля удается снизить до величины 10 ч - 30 мкв за длительное время (несколько суток)..
Рассматриваемый модулятор применяется пока еще редко. В усилителях автокомпенсаторов он нашел применение лишь в отдельных разработках (см. W. A. Wildhack [59]).
ж. |
В х о д н ы е у с т р о й с т в а с д и н а м и ч е с к и м |
|
к о н д е н с а т о р о м |
Для |
модуляции постоянного напряжения в усилителях |
с высоким входным сопротивлением широко используется динамический конденсатор. Типовая схема такого входного
|
|
устройства приведена на рис. |
63. |
|||||||
|
|
Через |
большое |
сопротивление |
R a |
|||||
|
|
входной сигнал поступает на пласти |
||||||||
|
|
ны |
динамического |
конденсатора |
Сд, |
|||||
|
|
емкость |
которого |
периодически |
||||||
|
|
изменяется (например, за |
счет |
ви |
||||||
|
|
брации |
одной |
пластины), |
вследствие |
|||||
|
|
чего |
на |
выходе появляется |
перемен |
|||||
Рис. 63. Модулятор с ис |
ная составляющая. |
Коэффициент |
пре |
|||||||
пользованием |
динамиче |
образования |
модулятора |
с |
динами |
|||||
ского конденсатора Сд. |
ческим конденсатором невысок (обыч |
|||||||||
|
|
но 0,1 ч - 0,2), но |
величина |
входного |
||||||
сопротивления чрезвычайно большая. Входное |
сопротивле |
|||||||||
ние определяется практически качеством изоляции |
кон |
|||||||||
денсаторов |
Сд и Cg |
и может |
достигать |
величины |
l£)1Go,ir. |
Высокое входное сопротивление обусловливает широкое при менение динамического конденсатора при измерении малых токов и э. д. с. источников с большим внутренним сопро тивлением. Устройства с динамическим конденсатором позво
ляют получить |
чувствительность по току вплоть до |
10~17 ч - 10~16а. |
Однако их стабильность по напряжению |
невысока. Лишь при тщательном изготовлении дрейф нуля
удается снизить до |
100 ч - 200 мкв за |
сутки |
или 20 ч - 30 мкв |
за час. При входном сопротивлении |
101а ом дрейф состав |
||
ляет (1 ч- 2) 10~1Ва |
в сутки или (2 ч -3 )1 |
0 -17а в час., что |
§ |
1 5 1 |
СХЕМЫ ВХОДНЫХ |
УСТРОЙСТВ |
УСИЛИТЕЛЕЙ |
141 |
|||
соответствует |
дрейфу по |
мощности |
10~aoe//z в сутки |
или |
||||
4 - 10~аа вт в |
час. |
|
|
|
|
|
||
|
Динамический конденсатор простой конструкции с пла |
|||||||
стинами из нержавеющей |
стали имеет дрейф нуля 0,5 |
2 мв |
||||||
в |
сутки |
или |
50-*- 100 лосе |
в час, |
что |
позволяет измерять |
||
токи до |
10~Isa. |
|
|
|
|
|
||
|
Таким |
образом, входное |
устройство |
с динамическим |
кон |
денсатором целесообразно применять только в случаях изме
рения малых токов |
или |
э. д. с. с |
большим внутренним со |
|
противлением. |
|
|
|
|
з. |
В х о д н ы е |
у с т р о й с т в а |
с к о н т а к т н ы м |
|
|
п р е о б р а з о в а т е л е м |
|||
Для |
преобразования |
входного сигнала постоянного тока |
в переменный широкое распространение получили разнооб разные входные устройства с контактным модулятором (вибро преобразователем), рассмотренные в §16 и 17. Основное достоинство вибропреобразователей состоит в их исключи тельно высокой стабильности нуля. Дрейф нуля удается снизить вплоть до уровня тепловых шумов. При тщательном изготовлении входной цепи с контактным вибропреобразова телем обеспечивается чувствительность до сотых и даже
тысячных |
долей |
микровольта. |
При входном |
сопротивлении |
106 ом |
дрейф |
нуля имеет |
порядок 10-6 а |
и с ростом |
сопротивления увеличивается. С контактным преобразовате лем сравнительно легко удается обеспечить входное сопро
тивление до |
109ол«. При этом |
дрейф |
нуля |
увеличивается |
до 0,1-г -1,0 |
лш за длительное |
время, |
что |
соответствует |
дрейфу по току 10-13-з-1О-13 а или по мощности 10-1,-т-10"1в вт. Серьезным недостатком контактного вибропреобразователя является механическая нестабильность, для повышения кото рой требуется весьма тщательная технология производства и регулировка преобразователя. Наличие подвижных контак тов вносит элемент ненадежности и ограничивает срок службы устройства. Следует, однако, иметь в виду, что в усилителях автокомпенсаторов контакты коммутируют ничтожные мощ
ности, |
поэтому их срок |
жизни и надежность неизмеримо |
выше, |
чем в контактных |
устройствах силовых цепей. Прак |
тически в автокомпенсаторах нарушение работы вибропре образователей происходит при их разрегулировке.
1 4 2 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [ г л . V
Несмотря на перечисленные недостатки, в подавляющем большинстве современных усилителей автокомпенсаторов при меняется контактный вибропреобразователь. Столь широкое применение контактного преобразователя объясняется непре
взойденной стабильностью нуля, возможностью |
применения |
|
как для измерения |
малых токов, так и э. д. с. |
с широким |
диапазоном входных |
сопротивлений. |
|
Из приведенного |
обзора различных типов входных цепей |
усилителей постоянного тока видно, что для усилителей автокомпенсаторов наибольший интерес представляют устрой ства с использованием контактного преобразователя и дина мического конденсатора. На рассмотрении некоторых схем этих устройств мы подробно остановимся в V и VI главах.
§16. Трансформаторные входные устройства
сконтактным вибропреобразователем
Наиболее распространенные схемы входных цепей с кон тактным вибропреобразователем и с трансформаторной связью
приведены |
на |
рис. |
64. Схемы а |
и б с однополюсным вибро |
|||||
преобразователем, |
схема |
в — с двухполюсным. Для увеличе |
|||||||
ния избирательных свойств, т. |
е. ослабления паразитной пе |
||||||||
ременной |
составляющей |
в схемах |
б и в |
применен входной |
|||||
фильтр (/?„, Св, /? ф ). |
В |
схеме а |
для |
этой |
цели |
используется |
|||
сопротивление R B и |
настройка |
трансформатора |
в резонанс |
||||||
с помощью С3 на частоту преобразования. |
|
|
|||||||
Двойная |
система |
экранировки |
обмоток трансформатора |
||||||
(см. § 12) |
обеспечивает практически полное разделение вход |
||||||||
ных цепей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Входной каскад усилителя может строиться либо с авто
матическим, либо с фиксированным |
смещением. Выбор пара |
|
метров каскада производится |
из |
тех соображений, ‘ что и |
в случае входного устройства |
переменного тока (см. § 11). |
Поэтому здесь останавливаться на нем нет необходимости. Рассмотрим основные свойства схемы рис. 64,а. Предпо
ложим вначале, |
что вибропреобразователь работает идеально, |
|||
т. е. |
времена замыкания с каждым крайним контактом (ft и t.,) |
|||
равны |
между |
собой (рис. 65), а время перекрытия контак |
||
тов (Д£пк) и |
время перелета (Д£пл) равны нулю. |
При таком |
||
предположении |
|
можно представить схему, как |
показано на |
|
рис. 66, а, т. е. |
исключить виброиреобразователь, |
а источник |
§ 16] |
ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА |
143 |
сигнала постоянного тока (Ес = С7ВХ) заменить генератором (£э) прямоугольных импульсов обеих полярностей с амплитудой, равной входному сигналу £ с. Определение параметров такой схемы не вызывает затруднений. Поскольку трансформатор настроен в резонанс на частоту преобразования и интерес
Рис. 64. Схемы входных цепей с вибропре образователем и трансформатором.
представляет первая гармоника выходного напряжения, целе сообразно заменить генератор прямоугольных импульсов гене ратором синусоидального напряжения, равного эффективной величине первой гармоники разложения Е„ в ряд Фурье.
Если пренебречь индуктивностью рассеяния, которая у входных трансформаторов мала, то эквивалентная схема вход
ной цепи |
рис. |
64, а |
может быть представлена, как показано |
на рис. |
66,6. |
Таким |
образом, мы пришли к схеме входного |
1 4 4 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [ГЛ. V
устройства переменного тока, рассмотренного в гл. IV. Почти все результаты анализа трансформаторного входа переменного тока применимы к схеме рис. 64, а. Следует только учиты вать, что величина входного сигнала должна быть умножена
на — и что коэффициент трансформации определяется
как отношение числа витков вторичной обмотки к половине
R,
лентной э. д. с. входной цеРис. 66. Входная цепь эквивалентной пи с внбропреобразователем. импульсной э. д. с. (а); эквивалентная (Здесь &t — Atnn, или Д£ = схема входной цепи (6).
= А^пкО
первичной. При этом величина входного сопротивления нахо дится по формуле
^пх : |
®i |
У __ |
Яо „ |
“5^1 |
|
(5.5) |
2w1 + wi ) |
(2 + л)а ~ |
|
> |
|||
|
|
|
где п — коэффициент трансформации, т. е. отношение числа витков вторичной обмотки к половине первичной; /?0 — экви валентное сопротивление контура, образованного всей обмот кой трансформатора и емкостью С2, при резонансе (см. § 13).
Передаточный коэффициент, т. е. отношение эффективной величины первой гармоники на выходе к сигналу постоянного тока на входе определяется следующим образом:
2 У Т |
Дахп |
2 У2 |
nRf |
(5.6) |
|
^ |
“Ь Яв |
7t |
/?o+ * b(2 + «)s ' |
||
|
§ 16J |
ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА |
145 |
Можно показать [25], что передаточная функция имеет такой же вид, как в случае входной цепи переменного тока
р (р) = |
* |
----------------- iB’ i__________ |
(5.7) |
W |
[ % + % ( 2 + н)а] ( 1 + р 7 ' т Р) ' |
|
Значения % и Гтр те же, что в (4.63). Передаточная функ ция входного устройства по схеме рис. 64, а отличается от аналогичного выражения для случая переменного тока только
постоянным множителем
мнем осциллограмм переходных процессов (для одинаковых трансформаторов и R B) при постоянном токе (рис. 67) и при переменном токе (рис. 49) (для схемы рис. 45).
При определении предельной чувствительности усилителя постоянного тока существенное значение играет дрейф нуля, ко торый при R BX=sg; 106 ом вызывается главным образом изменением термо-э. д. с. в местах соединения разнородных металлов и меж ду контактами вибропреобразователя. Отношение сигнала к паразитной термо-э. д. с. не может быть улучшено путем измене ния входного сопротивления или коэффициента трансформации, поскольку термо-э. д. с. принципиально неотличима от полезно го сигнала. Поэтому остаются в силе с точностью до мно
жителя 2 формулы, полученные в гл. IV для определе
ния оптимальных значений R 0 и п. Следует иметь в виду, что в случае постоянного тока в величину суммарной погреш ности непосредственно войдет величина дрейфа нуля 7/др, вызванная изменением термо-э. д. с.
Величина С/лр сильно зависит от выбора материалов. Же лательно, чтобы все элементы входной цепи до обмотки трансформатора были выполнены из металлов с малой термо- э. д. с. относительно меди. Пайку рекомендуется производить
сплавом |
олова с кадмием (около 7 0 % Cd). |
Толщина |
сплава |
между спаиваемыми поверхностями должна |
быть как |
можно |
|
меньше. |
При конструировании входной цепи необходимо стре |
миться к обеспечению минимальных градиентов температур, применяя теплоизоляцию ее. от остальной части схемы. По этой же причине нежелательно трение между контактами вибропреобразователя, что вызывает местный разогрев. При соответствующем выборе материалов величину термо-э. д. с. удается снизить до 0,1 мкв/град, что позволяет уменьшить
-6 Д . Е. Полоннпков
/{д=?,5ком, Л/а17гц
\УвХ p
_ t r
B)-^OJcek
tJJcek
Щ Ш
Rs=50koM, A f= 3 z ii
Ra =7,5ком, J f= 5,5гц
t
■>r- t
.Л[' | ТОКА ПОСТОЯННОГО УСИЛИТЕЛЕЙ УСТРОЙСТВА ВХОДНЫЕ 146
Рис. 67. Переходный процесс в схеме рис. 64,в при различных значениях 7?в.
§ 1 6 ] |
|
ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ |
ВХОДНЫЕ |
УСТРОЙСТВА |
1 4 7 |
дрейф |
до |
сотых долей микровольта, |
а при теплоизоляции |
||
и постоянстве внешних условий — до |
10-9 в (см. М. D. Liston |
||||
[49]). |
В |
обычных условиях |
работы |
автокомпенсатора, |
если |
не приняты специальные меры, величина £/др часто достигает 0,2 -т- 2 мкв, а иногда даже нескольких десятков микровольт.
Таким образом, при трансформаторном входном устройстве на постоянном токе предельная чувствительность в большин стве случаев ограничена не шумами, а паразитной термо-э. д. с. Как установлено экспериментально, при входном сопротивле нии около 10 ком и полосе пропускания 10 гц термо-э. д. с. и шумы имеют обычно один порядок. При меньших сопротив лениях преобладает термо-э. д. с., при больших — шумы и раз
личные помехи. В зависимости |
от параметров входной цепи |
и особенно ее конструкции, в |
частности монтажа, соотноше |
ние между различными помехами, шумами и термо-э. д. с. может меняться в широких пределах. При очень больших входных сопротивлениях (более 101ом) появляются дополнительные причины, вызывающие дрейф нуля. Вопрос предельной чувст вительности входного устройства с контактным преобразова телем при высокоомном входе рассмотрен в гл. VI.
Выше мы предположили работу вибропреобразователя идеальной. Можно показать, что если время перелета кон такта (Atnj]), отнесенное к периоду несущей частоты, невелико (менее 0,1), то оно практически не влияет на величину входного сопротивления. Передаточный коэффициент также весьма
слабо зависит от |
времени |
перелета контакта. При изменении |
|||||
Д^пл/^о от 6 до |
0,1 |
К п уменьшается |
всего |
на 5% - Переда |
|||
точный коэффициент |
(5.6) |
зависит от |
времени перелета |
сле |
|||
дующим образом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.8) |
где множит! |
|
|
|
определяет |
содержание |
пер- |
|
вой гармоники |
в |
напряжении Е а (см. |
рис. 65). |
|
|||
Зависимость |
R BX от времени перекрытия |
контактов (Д£пк) |
|||||
(т. е. времени, когда все |
три контакта замкнуты) значитель |
||||||
но сильней. Определим R BX как функцию |
при работе ви- |
||||||
|
|
|
|
|
*о |
|
бропреобразователя с перекрытием. В первом приближении
можно считать, что для моментов времени |
и |
(см. рис. 65) |
справедлива эквивалентная схема рис. |
66, б, |
а во время |
6*" |
|
|